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球墨鑄鐵熔煉中球化劑的作用

球墨鑄鐵由于其高強(qiáng)度、高韌性和低價(jià)格,所以在材料市場(chǎng)上仍占有重要的地位,球鐵產(chǎn)量并未下降,奧——貝球鐵的出現(xiàn)增強(qiáng)了球鐵的競(jìng)爭(zhēng)地位。  


1球鐵的生產(chǎn)和研究現(xiàn)狀  


1. 1常規(guī)球鐵 目前常規(guī)球鐵——即以鐵素體和珠光體為基體的球鐵仍占球鐵產(chǎn)量中的絕大部分比例。  


11 1  對(duì)影響球鐵質(zhì)量的因素加強(qiáng)控制 球鐵的組織與性能取決于鑄鐵的成份和結(jié)晶條件以及所用球化劑的質(zhì)量,研究認(rèn)為為了確保球鐵的機(jī)械性能,必須針對(duì)鑄件具體壁厚、澆注溫度、所用球化劑、球化處理工藝、冷卻參數(shù)的優(yōu)化以及有效的排渣措施進(jìn)行嚴(yán)格控制,而適當(dāng)?shù)慕档吞籍?dāng)量,合金化和熱處理是改善球鐵的有效措施。  


112有效控制鐵素體球鐵和球光體球鐵的生產(chǎn)   控制球鐵基體的主要因素有鑄鐵的成份、所用球化劑、孕育劑的類型,加入方法以及冷卻條件等。鑄態(tài)鐵素體球鐵的成份控制微過共晶成份,其中碳稍高,但不出現(xiàn)石墨漂浮,含硅稍低,孕育劑硅量應(yīng)少于3%,錳越低越好,應(yīng)使 Mn<0.04%,硫、磷應(yīng)低,使S0.02%、 P0.02%,這是因?yàn)楣杩筛纳魄蜩F組織和相應(yīng)的塑性,Si=3.03.5%可得到全部鐵素體組織。 


有研究指出,Si=2.62.8%時(shí),鑄鐵具有最高的延伸率和沖擊韌性,但硅在鐵中的顯微偏析隨著含磷量的增加,這種偏析越嚴(yán)重,并對(duì)機(jī)械性能有不良影響,特別是當(dāng)溫度低于零度時(shí)影響更大,而含硫低可以選用低鎂低稀土球化劑球化,并減少“黑斑”缺陷的產(chǎn)生,而“黑斑”主要是鎂、鈰硫化物和氧化物的聚集物,此外也要用低硅球化劑以保證可以進(jìn)行多次孕育。 


對(duì)珠光體球鐵而言,在生產(chǎn)時(shí)鑄鐵成份中錳可提高至0.81.0%,有些鑄件如果是用作耐磨性曲軸時(shí),錳可提高至1.21.35%,生產(chǎn)鑄態(tài)珠光體元素銅。加入量大于1.8%時(shí),它阻礙石墨球化,但促進(jìn)基體完全珠光體化,一般球鐵中銅含量應(yīng)小于1.5%,錫是強(qiáng)烈的珠光體化元素,其對(duì)硬度的影響大于銅和錳,但Sn1.0%時(shí)使石墨畸變,因此其含量應(yīng)限制在0.08%以下。  


1.1.3 稀土在球鐵中的作用   稀土能促進(jìn)鎂合金的球化效果(球化率和球的圓整度),它對(duì)壁厚球鐵件中防止球狀石墨畸變的效果受到了重視,這也是國內(nèi)外球化劑中都包含稀土的主要原因之一。  


在鑄件中有些元素能破壞和阻礙石墨球化,這些元素即所謂的球化干擾元素,干擾元素分為兩類,一是消耗球化元素型干擾元素,它們與鎂、稀土生成MgS、MgO、MgSe、RE2O3、RE2S3、RE2Te3等,使球化元素降低從而破壞了球狀石墨形成;另一類是晶間偏析型干擾元素,包括錫、銻、砷、銅、鈦、鋁等在共晶結(jié)晶時(shí),這些元素富集在晶界,促進(jìn)使碳在共晶后期形成畸形的枝晶狀石墨,球化干擾元素原子量越大,其干擾作用越強(qiáng),現(xiàn)在許多研究都已找到了干擾元素在鑄鐵中的臨界含量,當(dāng)這些元素含量小于臨界含量時(shí),并不能形成畸變石墨。   


在有干擾元素的鑄鐵中,加入稀土可消除其干擾作用,有研究報(bào)告指出在鑄鐵中干擾元素之和應(yīng)小于0.10%即z=Ti+Cr+Sb+V+As+Pb+Zn+<0.10% 有研究指出,中和鐵水中的Al、SbTI、PbBi、等只要分別加入0.0050.04%Ce即可,例如,中和Ti、Pb、Sb、Al等只要分別加入0.005~0.007%、0.014%、0.15%0.008%Ce即可。   干擾元素在鑄件壁厚,冷卻速度慢的情況下破壞作用更大。 干擾元素對(duì)球鐵基體也有影響,Te、B強(qiáng)烈促進(jìn)白口形成,Cr、As、SnSb、PbBi穩(wěn)定珠光體,AlZr促進(jìn)鐵素體。  


目前正在發(fā)展一些球化元素與干擾元素復(fù)合球化劑,以改善大斷面球鐵的處理效果及石墨球的圓整度。  


1.1. 4球鐵檢測(cè)加強(qiáng)   球鐵檢測(cè)是保證其質(zhì)量的重要措施,目前正在研究發(fā)展線分析,即產(chǎn)品在生產(chǎn)過程中進(jìn)行分析,以確定其質(zhì)量,已有不少單位在大批量生產(chǎn)條件下利用超聲波對(duì)鑄件質(zhì)量進(jìn)行分析。  


在利用超聲波測(cè)定鑄鐵組織時(shí),片狀石墨的聲速為4500m/s、蠕墨鑄鐵為5400m/s、球墨鑄鐵5600m/s,此外在鑄鐵中高頻衰減率的變化也可判斷鑄鐵類型,球鐵中心頻率為5MHz而片狀鑄鐵僅為1.5MHz。 


目前還有單位正在用超聲波作球化級(jí)別的測(cè)定,已可測(cè)定合格的球化級(jí)別和不合格的產(chǎn)品(3級(jí)和4級(jí)之間),但還不能進(jìn)行更細(xì)分級(jí)測(cè)定,此方法正在完善中。  


12奧——貝球鐵 20世紀(jì)70年代,荷蘭、中國、美國彼此獨(dú)立地,幾乎是同時(shí)宣布各自研究成功了貝氏體球鐵,中國研究成功的是下貝氏體,美國為下貝氏體+馬氏體,荷蘭為上貝氏體+奧氏體,荷蘭成果最具代表性,即現(xiàn)在所稱的奧——貝球鐵。  1977M.Jokason宣布荷蘭的KgmiKgmmene公司所屬的karkkila鑄造廠開發(fā)了一種特性優(yōu)異的新型鑄鐵,即奧——貝球鐵,并在1978年召開第45屆國際年會(huì)上宣讀了有關(guān)論文,此一發(fā)明在美、英、法、加等13個(gè)國家申請(qǐng)了專利(美國專利號(hào):3860457,荷蘭專利1996/72,原西德專利2852870),引起了各國重視,被譽(yù)為近幾十年來鑄鐵冶金中的重大成就之一。  


奧——貝球鐵兼?zhèn)涓邚?qiáng)度、高韌性和高耐磨性。如英國的標(biāo)準(zhǔn)有 NE-GJS-800-8EN-GJS-1000-5,EN-GJS-1400-1。奧——貝球鐵成份與常規(guī)球鐵成份相同,球化劑和處理工藝也相同,其差別是必須進(jìn)行等溫淬火處理,等溫淬火溫度不同時(shí)可分別獲得上貝氏體+奧氏體,下貝氏+奧氏體,下貝氏+馬氏體等不同基體。這種鑄鐵成本高、生產(chǎn)難度較大,目前應(yīng)用面雖在不斷擴(kuò)大,但其總量并不大,被人們稱之為21世紀(jì)材料。  


2.球化劑的現(xiàn)狀


球化劑是目前獲得球鐵的主要手段之一,在包鋼稀土一廠共同完成國家攻關(guān)課題“稀土三劑系列化”時(shí),我校課題組對(duì)世界上100多個(gè)球化劑生產(chǎn)廠,國內(nèi)主要合金生產(chǎn)進(jìn)行調(diào)研,取得了英、美、法、德、日、前蘇聯(lián)、印度等十幾個(gè)國家50多家合金生產(chǎn)廠的產(chǎn)品樣本及國內(nèi)主要球化劑生產(chǎn)廠的產(chǎn)品樣本,為對(duì)比國內(nèi)外球化劑性能及今后球化劑生產(chǎn)改進(jìn)提供了依據(jù)。  

 

21球化劑的類型 


按生產(chǎn)方式分有下述幾種


(1)    球化劑的類型包括鎂硅系合金、稀土鎂硅系合金、鈣系合金(日本用的較多),鎳鎂系合金、純鎂合金、稀土合金。上述合金中目前世界上用的最為廣泛的是稀土鎂硅鐵合金,但中國合金中RE/Mg的比值范圍大(0.5~2.2),國外的合金RE/Mg的比值范圍小(0.1~0.3)。  中國合金中稀土大于等于鎂含量的占多數(shù),小于鎂含量的占少數(shù),而國外(除前蘇聯(lián)一些合金外)球化劑合金中的稀土含量幾乎都小于鎂含量,因此稀土三劑系列化課題組建議除保留FeSlMg8E18(此合金是效果優(yōu)良的蠕化劑),其它全部球化劑中RE/Mg1,隨后修訂的國家標(biāo)準(zhǔn)中采納了這個(gè)建議。鈣鎂球化劑主要是日本生產(chǎn)和應(yīng)用,如日本信越(SHINETSU)生產(chǎn)的鈣系合金NC5、NCl0、NCl5NC20、NC25中鎂含量從4~28%變動(dòng),但鈣含量變化較小,其變化范圍為20~31%;此類合金白口傾向小,但要求處理溫度高,處理后渣量大。

鎳鎂合金在美洲、歐洲均有應(yīng)用,美國國際鎳公司生產(chǎn)的鎳鎂合金最高達(dá)82~85%,其中Mg、Ca分別為13~16,及20,鎳最低的57~61%(其中Mg4.0~4.5%,Ca<2.5,Fe32~36)。德國金屬化學(xué)公司生產(chǎn)的鎳鎂合金中Ni47~51%,Mgl5~17%,C1.0 Si28~32%,RE1.0%Fe。這些合金的優(yōu)點(diǎn)是比重大,反映平穩(wěn),鎳可起合金化作用,其特點(diǎn)是價(jià)格貴,這種合金在中國基本沒有應(yīng)用。鎳硅系合金目前在中國基本上已不用。純鎂合金處理時(shí)要用專用的壓力加鎂包,鎂的吸收率高,但處理安全措施要極為嚴(yán)格,生產(chǎn)中應(yīng)用比例較小。稀土是發(fā)明球鐵時(shí)使用的球化劑,它的發(fā)現(xiàn)推進(jìn)了球鐵工業(yè)應(yīng)用的進(jìn)程。但價(jià)格高,白口傾向大,過量會(huì)使石墨變態(tài),現(xiàn)在己不作為球化劑單獨(dú)使用,僅作為輔助球化元素。  


(2)壓塊狀球化劑 用鎂粉和鐵粉及所設(shè)計(jì)的硅含量直接加壓成型,這種球化劑中含硅很低,通常稱為低硅壓塊狀球化劑,因而為后續(xù)的孕育提供了大的余地,有利于生產(chǎn)鑄態(tài)球鐵,但這種合金易漂浮,處理效果波動(dòng)大,處理時(shí)最好跟塊狀球化劑混合使用。 


(3)包芯線型球化劑 將鎂粉、鐵粉包覆在薄鋼板或鋼板中,將其快速送入鐵水中達(dá)到球化目的,這種球化劑較貴,且設(shè)備投資大,但處理時(shí)合金吸收率高,因此處理球鐵的總成本幾乎沒有提高。  

(4)粉狀球化劑 這種球化劑是俄羅斯的一個(gè)專利,使用時(shí)將鎂粉與抑制劑混合放入包內(nèi),并使鐵水從合金表面上流過,逐層與合金反映達(dá)到球化效果,這種專門工藝稱之為MC。  


2.2球化劑的應(yīng)用


目前國內(nèi)外在球鐵生產(chǎn)中主要應(yīng)用火法冶煉的合金,壓塊球化劑、包芯線球化劑、粉狀球化劑應(yīng)用的很少,火法冶煉的球化劑在生產(chǎn)中應(yīng)用占90%以上,目前這類合金中增加Ba、Ca、Cu、Ni等以達(dá)到控制


基體目的,對(duì)合金中的氧化鎂含量已有限量指標(biāo)?,F(xiàn)對(duì)中國33個(gè)典型工廠和美國77個(gè)工廠生產(chǎn)球鐵工廠進(jìn)行對(duì)比分析。中國33個(gè)工廠的基本情況是:33個(gè)工廠總計(jì)有36個(gè)熔爐,其中電爐(中頻、工頻、電弧爐)9個(gè)占25%,沖天爐22個(gè)占61%,沖天爐一電爐雙聯(lián)熔煉廠4個(gè)占11%,高爐1個(gè)占3%,球鐵處理溫度大于1500℃,4個(gè)占11%,1450~1500℃,20個(gè)占56%,1350~1400℃,6個(gè)占167%,1300~1350℃,2個(gè)占5.6%;大于12701個(gè)占2.7%;鐵水含硫量小于等于003%占20%;處理方法中沖入法占94%,噴吹法占3%,壓力加鎂法3%,用量最大的6#合金Mg8RE846%,其次為Mg8RE537%,Mg9RE511%。   77個(gè)工廠的基本情況是: 熔化設(shè)備沖天爐占30%,感應(yīng)電爐占63%,球化處理溫度1482~1538℃占75%;原鐵水在球化處理前有50%工廠采用預(yù)脫硫工藝,有90%的工廠S小于0025%,球化處理方法中在美國大工廠中沖入法占36%,而小廠(小于200/)沖入法僅占22%,壓入法、多孔塞法、型內(nèi)處理法、Tundish蓋包法、壓力加鎂法則占絕大部分比重,使用的球化劑中含鎂大于%的占82Mg4~6%占633,含鎂小于4%占164%純鎂占5%,其它的鎂合金占82%。  


資料表明中國生產(chǎn)球鐵方面還有不小的差距,美國生產(chǎn)的電爐可保證球化處理所需要的高溫,一般經(jīng)預(yù)脫硫,含硫量低,質(zhì)量要優(yōu)于我國處理球鐵的質(zhì)量,因此處理球鐵可用低鎂、低稀土球化劑,而且質(zhì)量控制也嚴(yán)格,包括使用衰退時(shí)間控制器。我國從90年到現(xiàn)在球化劑生產(chǎn)已有了很大變化,稀土鎂合金國家標(biāo)準(zhǔn)經(jīng)過修訂,對(duì)合金中的RE作了重大調(diào)整,除保留Mg8RE18以外,其它合金中Mg/Re均大于1,工廠使用的合金中稀土量有所下降,Mg8RE57的合金應(yīng)用大量增加,電爐也增加了不少,但原鐵水中的含硫量變化不大,預(yù)脫硫工藝未有效地推廣,因此我國球化劑中MgBE仍處在較高的水平上,新的球化處理工藝在我國推廣不多,如在美國占有很大比例的Tundish蓋包法在我國幾乎還未得到應(yīng)用,這些都是我國球鐵生產(chǎn)廠待解決的問題。

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